提高油田在用變頻控制設備運行質量的探討

于春光（大慶油田有限責任公司第八采油廠）

變頻控制設備作為當今電氣領域一種節能設備，在油田生產過程中得到廣泛應用，也是智能化油田建設中不可缺少的一種重要智能控制裝備。變頻控制設備既是一種電氣節能設備，又是一種智能控制設備，在智能化信息化油田建設過程中，引進大量變頻控制設備投入生產現場應用，在抽油機井、注聚泵站、注汽站、注水泵站、油氣集輸泵站以及油田其它輔助生產設備中廣泛應用，僅在勝利油田仙河地區在用各種油田變頻控制國內外品牌設備已達2 000余臺。油田應用變頻控制設備具有以下兩個方面優點：一是調速方便快捷。特別對油井來說能夠實現電動機無級變速[1]，便員工對油井生產參數的及時調整，降低調參工作量，提高油井生產時率；二是節能效果明顯。應用變頻控制柜加普通電動機替代高耗能的調速電動機，節能效果明顯；在油田螺桿泵井上（特別是供液不足），應用變頻控制柜既可實現增產，又可實現節能降耗；對潛油電泵井應用變頻調速節能控制柜，可以有效控制油井提液，且可降低油井提液單耗[2]。不僅在油井抽油機上，而且在注聚泵站、注汽站、注水泵站、油氣集輸泵站以及油田其它輔助生產設備中應用變頻調速節能控制柜均取得了良好節電效果。但由于部分設備使用年限較長，設備故障率存在著明顯上升趨勢，如何提高變頻器的運行質量，確保設備完好率，充分發揮變頻調速節能降耗技術的作用顯得尤其重要。

1 油田在用變頻器存在的問題

通過對油田在用各種變頻控制設備的調研分析，結合油田在用變頻器的日常故障維修維護工作，油田在用各種變頻控制設備主要存在以下幾個方面問題：

1）在用各種變頻控制設備品牌多，變頻控制設備質量參差不齊。目前，油田在用各種變頻控制設備品牌規格達到30余種，且自身質量參差不齊。油田引進應用各種變頻控制設備時，既缺乏統一的產品質量標準，又缺乏專業化的產品質量檢驗手段，造成各用戶單位對變頻控制設備入廠要求不統一，設備產品質量難以得到有效保證。另一方面，由于在用各種變頻控制設備品牌多，給用戶使用日常維護保養和故障排除維修工作增加難度，影響到設備因故障維修不及時而造成設備的正常使用。

2）變頻控制設備使用環境條件惡劣，特別是用于油井生產變頻控制設備、注汽變頻控制設備和高壓增壓注水泵控制設備。由于這些變頻控制設備長期在野外工作場所工作，工作使用環境條件差，存在著變頻控制設備故障率高的問題。

3）變頻控制設備易產生電網諧波問題。變頻控制設備易產生電網諧波問題的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波[3-5]。變頻控制設備是一個典型的非線性負載，若在變頻控制設備中沒有采取諧波抑制措施，就會對電網產生諧波干擾信號，高次諧波電流會對電網供電系統、負載及其他鄰近電氣設備產生干擾和不利影響。有的變頻控制設備生產廠家為了降低設備成本，對變頻控制設備未采取諧波抑制措施，造成供電線路諧波信號污染。

4）變頻控制設備生產運行參數不合理。主要表現為啟動時間設定過長，制動時間設定過短，啟動頻率設定和啟動轉矩設定等參數不合理，運行頻率設定過大或過小，變頻器載波頻率設定值偏低，補償電壓過高，啟動轉矩過大等問題，造成變頻控制設備運行不正常，設備非故障性頻繁停機現象發生[6-7]。

5）電網電壓過高或過低對變頻控制設備的影響。部分油田生產電網處于供電電網的末端，易造成電網電壓波動較大的問題，電網電壓過高或低都會影響變頻控制設備的正常運行。若變頻器在運行過程中其輸入電壓高于或低于正常供電電壓380 V的允許偏差范圍，變頻器就會發出停機保護。對于變頻器來說，當輸入電壓為380 V時，變頻器的輸入整流電壓的平均值為513 V，當變頻器的輸入整流電壓高于在設計時規定的其容許承受的最高直流電壓值時，變頻器控制電路中的元器件就可能被損壞，為保護變頻器的正常運行，每一臺變頻器均設有過電壓保護電路，一般其允許最高電壓值為760 V。當變頻器的輸入整流電壓上升至760 V左右時，變頻器過電壓保護電路就會發出停機動作。同理，當變頻器的輸入整流電壓低于在設計時規定的其容許承受的最低直流電壓值時，變頻器欠電壓保護電路就會發出停機動作。

6）變頻控制設備故障維修能力相對不足。由于部分設備老化嚴重，易損配件更換不及時，造成設備故障停機；現場操作人員對保養知識缺乏，造成維護維修保養不及時；現場工作環境太差，特別油井以及注汽鍋爐在用變頻控制設備，由于在野外工作存在高溫、高壓、風沙大等問題，且油田連續性生產要求，造成設備連續長時間不間斷運行；設備規格型號多，技術資料缺乏，造成維修配件難買。

7）電網電壓暫降對變頻控制設備的影響。油田電網出現電壓暫降后，出現油田變頻控制設備大面積停機現象，不能通過遠程控制系統實現遠程啟動操作，影響油田正常生產和生產時率。

8）外圍其它控制設備對變頻控制設備干擾的問題。如在油田油井變頻控制設備柜中加裝電網防閃控制器后，出現油田油井變頻控制柜不能實現遠程啟停操作功能。

2 對策措施

針對油田在用變頻控制設備存在的問題，提出提高在用變頻控制設備質量的以下對策措施：

1）加強油田在用變頻控制設備技術資料的收集與匯總。通過上網、與廠家聯系等多種手段，加強技術資料的收集、整理和使用管理，確保維修技術資料齊全，配件問題通過及時與廠家或設備供應代理商聯系協調解決。同時，充分挖掘社會資源，加強與變頻控制設備生產廠家或代理供應商的聯系，保證在用控制設備易損維修配件的及時供應。

2）制定油田在用變頻控制設備相關企業技術標準和質量檢測檢驗技術手段，把好入廠質量關。通過制定油田在用變頻控制設備相關企業技術標準，建立專業化的用變頻控制設備質量檢測檢驗技術項目，對每一臺變頻控制設備實行入廠檢測檢驗，確保油田入廠控制設備質量。

3）加強保養和維護，改善控制設備現場工作環境條件，盡量減少環境對設備的影響。通過加強教育和管理，強化日常巡檢力度，同時開展變頻控制設備日常保養知識的培訓，提高現場職工使用保養知識。對特殊井站的變頻控制設備加裝停機應急報警器，提高故障報警效果，以便值班人員及時處理。對使用年限較長，且工作環境較差的控制設備，其冷卻風扇、控制面板、以及充放電電容進行定期檢測，發現存在故障缺陷的及時進行更換，以減少設備故障率。

4）對變頻控制設備采取諧波抑制措施。采取的措施主要有：一是串接安裝電抗器，通過采取在變頻器的輸出電路中串接電抗器的辦法，來抑制5～19次諧波信號，其抑制效果明顯；二是適當提高載波頻率，有利于減少諧波信號。當變頻器載波頻率適當提高后，雖然會增加一點變頻器自身能耗，但可改變變頻器輸出電流波型，正弦性能變好，毛刺減少，波形光滑，對抑制或減少諧波有利；三是增加變壓器的容量，減少回路的阻抗，四是使用無源濾波器或有源濾波器。無源諧波抑制裝置主要由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，與諧波源并聯，除具有濾波作用外，還有無功補償的作用。

5）優化變頻控制設備生產運行參數設置。通過組織職工學習變頻器工作原理、使用方法和注意事項，提高現場操作人員的變頻設備操作知識，掌握正確設備不同工況下的運行參數，以減少非故障性停機現象的發生。

在參數優化設置中，必須做到以下幾點：一是啟動時間設定原則是宜短不宜長。若啟動時間過長，則易產生跳閘動作。通常啟動時間設定經驗值為1.5～2 s/k W，小功率取大些；大于30 k W，取大于2 s/k W為宜；二是制動時間設定原則是宜長不宜短，易產生過壓跳閘，應以自由制動為宜，避免實行快速強力制動，防止“水錘”效應；三是啟動頻率設定對加速啟動有利，尤以輕載時更適用，一般啟動頻率從0開始合適；四是啟動轉矩設定對加速啟動有利，尤以輕載時更適用，一般啟動轉矩從0開始合適；五是制動時時間短或制動電阻過小時，易產生過電壓，造成變頻控制柜無法制動。解決辦法是通過適當增長時間，增加電阻值就可避免；六是防止過補償或啟動時間短，就會造成啟動時在低頻小于或等于20 Hz時跳閘。原因是由于啟動轉矩大，保護值過小（包括過流值及失速過流值），解決辦法是減小基底頻率就可；七是變頻器載波頻率設定值偏低，通常出廠值為2.5 kHz，容易產生啟動困難、使用變頻器后電動機溫升提高，振動加大，噪聲增高以及諧波信號增大等問題，通過適當增高載波頻率值后，問題就解決了；八是空載跳閘，按照空載不易跳閘，解決辦法是適當減小或恢復出廠值或置于0位。

6）加強過電壓和欠電壓的正確處理。對于變頻控制設備來說，對于不同的過電壓產生原因不同，因采取不同的對策措施：一是對于采用能量消耗型的變頻器，可采取在變頻器直流回路中并聯一個制動電阻，通過檢測直流母線電壓來控制一個功率管的通斷。當電壓上升至700 V左右時，功率管導通，將再生能量通入電阻，以熱能的形式消耗掉，從而防止直流電壓的上升；二是對于采用能量回饋型的變頻器，其網側變流器是可逆的，當有再生能量產生時，可逆變流器將再生能量回饋給電網，使再生能量得到完全利用；三是對于采用并聯直流母線吸收型的變頻器，可采取通過共用的制動電阻消耗掉。對于變頻控制設備來說，每一臺變頻器都設有直流母線過電壓抑制電路，以避免因過電壓保護動作而造成變頻器停機。對于因欠電壓引起的變頻控制設備故障，則通過調整電網線路變壓器輸出來解決電網電壓過低問題。

7）建立專業化的維修保障隊伍。通過導師帶徒，集中培訓、現場維護實習、外出維修技術培訓等方式，全面提高維修技術人員的維修技術水平和維修能力，增加現場維修工作經驗。建立定期現場巡檢工作制度，定期深入各生產現場了解和掌握在用變頻控制設備的使用現狀，特別對使用年限較長和使用環境在野外條件相對惡劣的設備進行重點跟蹤維護；同時建立設備維修檔案，減少維修設備返修率，確保節能控制設備的良好運行，充分發揮其最大效能，以求得節能設備效益最大化。

8）解決電網電壓暫降對在用變頻控制設備的影響。針對電壓暫降對變頻器正常運行的影響，解決這種情況的辦法：一是可以采取在變頻器的前級一定要配置交流進線電抗器[8]，進線電抗器能限制由于電網電源的突降而產生的電流沖擊，從而保護變頻器[9]；二是設置變頻器自啟功能。在電網系統電壓暫降時，變頻器可能因電壓暫降而跳停，可以通過設置變頻器自啟，讓變頻器自動啟動，或通過改變變頻器控制電源的方法來躲過電壓暫降。三是加裝自啟動重合控制器。此方法適用于對1.5 s以上的瞬時失壓，只限于重要負荷電動機控制中采用。

9）對在用變頻控制柜的整體優化，防止外圍其它控制設備對變頻控制設備干擾。通過優化在用變頻控制柜的整體優化，實現在用變頻控制柜整體質量提升，滿足在用變頻控制柜特別是油井變頻控制柜的遠程啟停操作功能要求。

3 實施效果

1）節能變頻控制設備運行質量明顯提升。通過采取以上對策措施，油田在用變頻控制設備運行質量狀況得到一定程度的改善，在用變頻控制設備運行質量有了明顯提高，無故障運行時間得到延長，設備完好率指標和設備故障維修能力進一步提升，取得理想的工作效果。目前，油田在用變頻器的設備完好率達到100%，現場設備在線檢修率達到90%，現場維修質量得到顯著提高。

2）降低設備故障維修費用。在用變頻控制設備運行質量的提升，不僅滿足了現場油氣生產的需要，而且延長了各種泵類（機采、注聚、注水泵、輸油泵和注汽泵）、壓縮機、風機等設備的使用壽命，減少了各種機泵的故障率和維修費用。僅以勝利油田孤東采油廠為例，年降低設備故障維修費用10萬元。

3）變頻節能效益顯著。僅以勝利油田孤東采油廠為例，目前在用各類節能變頻控制設備1 260余臺，年實現變頻節能效益達400余萬元，節能效果明顯。

4）提升節能變頻控制設備維修能力。提升節能變頻控制設備通過開展變頻控制設備專業化維修隊伍建設，使油田企業真正掌握了變頻控制設備的維修技術，提高了自身的維修能力，既鍛煉了員工工隊伍，又充分挖掘了企業內部潛力，發揮了員工技術優勢，取得了良好的經濟和社會效益。

4 結束語

提高油田在用變頻控制設備運行質量是一項十分重要的工作。實踐證明，加強油田在用變頻控制設備技術資料的收集與匯總，制定油田在用變頻控制設備相關企業技術標準和質量檢測檢驗技術手段，把好質量入廠質量關，加強保養和維護，改善控制設備現場工作環境條件，盡量減少環境對設備的影響，對變頻控制設備采取諧波抑制措施，優化變頻控制設備生產運行參數設置，加強過電壓和欠電壓的處理，建立專業化的維修保障隊伍，解決電網電壓暫降對在用變頻控制設備的影響，以及對在用變頻控制柜的整體優化等措施均十分有效，有利于提高在用變頻控制設備運行質量，實現更好的節能降耗效果。